چگونه فیزیک کوانتوم را در مدارس جذاب کنیم؟

تحقیقات جدید در زمینه سیستم‌های کوانتومی

محققان، از جمله استاد تخصصی آموزش فیزیک، پروفسور فیلیپ بیتزنباور از دانشگاه لایپزیگ، بر روی آنچه که به عنوان کیوبیت‌ها شناخته می‌شود، تمرکز دارند. این کیوبیت‌ها سیستم‌های دو حالتی هستند که ساده‌ترین و در عین حال مهم‌ترین سیستم‌های کوانتومی به شمار می‌روند و می‌توانند برای توصیف بسیاری از موقعیت‌ها مورد استفاده قرار گیرند. کنترل و دستکاری این کیوبیت‌ها نقش مرکزی در فناوری‌های کوانتومی مدرن ایفا می‌کند.

به گفته بیتزنباور، تا کنون هیچ مطالعه تجربی در مورد اثربخشی این رویکردها با استفاده از سیستم‌های دو حالتی در توسعه درک مفهومی در یادگیرندگان انجام نشده است. همچنین تحقیقی علمی در مورد مزایا و معایب خاص روش‌های تدریس مختلف مبتنی بر سیستم‌های دو حالتی وجود ندارد. او می‌گوید: “با استفاده از مثال فرآیند اندازه‌گیری کوانتومی، یکی از مشکلات مرکزی فیزیک کوانتوم، ما نشان می‌دهیم که چگونه می‌توان یک روش نظرسنجی توسعه داد که سپس می‌تواند در این زمینه به عنوان بخشی از مطالعات مداخله‌ای استفاده شود. به طور کلی، مفاهیم آموزشی که بر روی سیستم‌های دو حالتی تمرکز دارند، به نظر می‌رسد که واقعاً برای یادگیری مناسب‌تر از رویکردهای سنتی هستند.”

این استاد آموزش فیزیک، که نویسنده اول این مقاله است، می‌افزاید: “استفاده از سیستم‌های دو حالتی به عنوان نقطه شروع برای درک فیزیک کوانتوم در سال‌های اخیر موضوع بحث‌های زیادی بوده است.” به گفته بیتزنباور، این رویکرد درهای فناوری‌های کوانتومی مدرن را باز می‌کند، خواه رمزنگاری کوانتومی باشد یا محاسبات کوانتومی.

هدف‌های رمزنگاری کوانتومی و دسترسی به فناوری‌های نوین

یکی از اهداف رمزنگاری کوانتومی ایجاد ارتباطی امن در برابر شنود است. کامپیوترهای کوانتومی قادرند مسائل پیچیده‌ای را حل کنند که حتی سوپرکامپیوترها نیز ممکن است تنها پس از مدت طولانی یا اصلاً نتوانند به آن‌ها پاسخ دهند، به عنوان مثال، تجزیه اعداد بزرگ به عوامل اول.

بیتزنباور می‌گوید: “تیم من و من در حال کار بر روی این هستیم که پتانسیل انقلابی فناوری‌های کوانتومی را برای دانش‌آموزان قابل دسترسی کنیم.” جامعه فیزیک آمریکا (APS) از او دعوت کرده است تا نتایج این پروژه را در اجلاس جهانی فیزیک APS در لس آنجلس در مارس 2025 ارائه دهد.

بیتزنباور اشاره می‌کند که سال 2025 به عنوان سال بین‌المللی علم و فناوری کوانتومی شناخته خواهد شد؛ این جامعه علمی می‌تواند به 100 سال تاریخ‌سازی مکانیک کوانتومی نگاه کند و این روند همچنان ادامه دارد، هرچند در سطحی پیشرفته‌تر. دانشمندان درباره انقلاب دوم کوانتومی صحبت می‌کنند که قرن جدید را به همان شیوه‌ای شکل خواهد داد که انقلاب اول کوانتومی قرن بیستم را شکل داد.

او ادامه می‌دهد: “امروز، تمرکز بر روی انتقال از سیستم‌های چندجسمی به کنترل و دستکاری الکترون‌های منفرد، فوتون‌های منفرد یا به طور کلی، درجات آزادی منفرد در یک سیستم کوانتومی است. ساده‌ترین و مهم‌ترین سیستم کوانتومی تنها دو درجه آزادی دارد – سیستم دو حالته. این نقطه شروعی برای آموزش فیزیک کوانتومی در مدارس است.”